JP2014065058A - 鋳物の製造方法および鋳物製品 - Google Patents

Abstract

【課題】従前の差込み不良対策に比してコスト増加や作業環境の悪化を伴わず、且つ、種々の製品形状にも対応可能で汎用性に優れた鋳物の製造方法を提供すること。
【解決手段】砂型でできた製品キャビティ内に金属溶湯を注入して鋳物を製造する方法において、製品キャビティの内壁面を提供する砂型表面の少なくとも一部に複数の凸部１１（又は凹部１２）が付与された砂型を用いる。前記複数の凸部１１（又は凹部１２）は、砂型表面に沿った縦方向、横方向及び／又は斜め方向に等間隔配置されている。更に、前記複数の凸部１１（又は凹部１２）の各々は、砂型表面において半径ｒの円形状をなしている。その半径ｒは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあり、凸部１１の高さｈ１又は凹部１２の深さｈ２は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、砂型鋳造における差込み不良の改善を意図した、鋳物の製造方法および鋳物製品に関するものである。

例えば鋳鉄製の鋳物はそのほとんどが砂型を用いて鋳造されているが、砂型を用いることによる利点と引き替えに砂型ゆえの鋳造欠陥が発生し得る。それらの鋳造欠陥の一つに「差込み不良」（単に「差込み」ともいう）と呼ばれるものがある。この欠陥は、鋳型（砂型）を構成する砂粒間に、鋳型内に注がれた溶湯が入り込んでそのまま凝固し鋳物表面へ固着することにより発生する。一旦発生した差込み不良を鋳物表面より完全に除去するには多くの後処理工程を必要とする。

差込み不良の発生原因は多岐にわたり、実際の鋳造現場においても様々な要因が重なって差込み不良が発生する。特に、鋳鉄の中でも片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）にあっては共晶凝固時の体積膨張が球状黒鉛鋳鉄よりも大きいため、凝固時に製品キャビティ内にいわゆる閉ループ（キャビティ内に、鋳造方案の他部分とつながることなく独立した凝固部分が生じる現象又はその凝固部位）が発生すると、凝固進行に伴い閉ループ内の圧力が著しく増加する。そして、その圧力増加が駆動力となって鋳型砂粒間に溶湯が侵入し、差込み不良が発生する。なお、片状黒鉛鋳鉄における共晶凝固時の圧力増加については、数ＭＰａ〜数ＧＰａ程度といった非常に大きな数値が報告されている。

鋳鉄の砂型鋳造における差込み不良の発生は、その製法及び材料特性に由来する宿命的なものであり、避け難いものではあるが、従前より様々な対策が講じられてきた。例えば、塗型剤よる対策（特許文献１，２参照）、砂種の変更（特許文献３参照）、鋳型の充填性向上などである。しかしながら、塗型剤としては、粉体を水又はアルコール等で溶かした液体が多くの場合用いられ、当該塗型剤を鋳型へ吹き付けて塗布する際の飛散によって作業環境が悪化するという致命的問題がある。また、砂種を変更する対策は、一般的にコスト増加につながり砂型鋳造の利点を損なうことになる。また、鋳型の充填性向上対策については、特殊な形状の製品には適用できても、あらゆる製品形状に対応できるほどの汎用性がない。つまり、従前の差込み不良対策は、実際上決め手に欠けるというのが実情である。

なお、論者（評者）によっては本願発明との関連性が疑われるかもしれない先行技術文献として、特許文献４（特開平９−１０８８８号公報）がある。特許文献４は、差込みの発生をなくし、美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造可能な鋳型を開示する（同文献要約）。より具体的には、製品キャビティ（３）に連接して厚さ１ｍｍ以下の空隙部（６）を設け、この空隙に溶湯を呼び込み、溶湯圧の砂鋳型凹面への作用力を弱めている（同文献要約）。つまり、鋳型内キャビティの表面積を拡大し、注湯完了直後の最大溶湯圧（静水圧＋動圧）を低減することで、差込みを防止しようとするものである。しなしながら、文献４の対策によれば、製品キャビティ外に空隙部を設置する必要があるが、鋳型枠内に十分なスペースがない場合はそもそも空隙部を設置することができない。また、仮に空隙部の設置を優先するならば、枠あたりの製品込め数を削減する必要があり、コスト増につながる。更に、文献４の対策は、注湯完了後の溶湯圧（の低減）に対しては有効であるとしても、共晶凝固での体積膨張に伴う圧力の増加に対しては減圧効果が得られない。なぜなら、文献４の鋳型構造にあっては、キャビティ（３）内よりも空隙部（６）の方が先に凝固してしまうからである。

特開２０１０−２３４４４０号公報（鋳造用塗型剤） 特開平７−１０７４号公報（鋳造用塗型材） 特開平９−２０６８８０号公報（炭素系粒子を添加した鋳物砂） 特開平９−１０８８８号公報

本発明の目的は、砂型鋳造における差込み不良対策となる方法であって、従前の対策に比してコスト増加や作業環境の悪化を伴わず、且つ、種々の製品形状にも対応可能で汎用性に優れた鋳物の製造方法を提供することにある。また、共晶凝固での体積膨張に伴う圧力の増加に対しても、有効な差込み不良対策となり得る鋳物の製造方法を提供することにある。更に、差込み不良が無い又は低減された鋳物製品を提供することにある。

本発明は、砂型でできた製品キャビティ内に金属溶湯を注入して鋳物を製造する方法において、
前記製品キャビティの内壁面を提供する砂型表面の少なくとも一部に複数の凸部又は凹部が付与された砂型を用いることを特徴とする鋳物の製造方法である。

また本発明は、砂型鋳造法によって鋳造される鋳鉄製の鋳物製品であって、
当該鋳物製品の表面の少なくとも一部には、その表面に沿った縦方向、横方向及び／又は斜め方向に等間隔配置された複数の凹部又は凸部が形成されており、
前記複数の凹部又は凸部の各々は、前記表面において半径ｒの円形状をなしており、
前記半径ｒは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあり、
前記凹部の深さ又は凸部の高さは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある、
ことを特徴とする鋳物製品である。

本発明において採用する手段が有効な差込み不良対策となり得る理由については「発明を実施するための形態」の欄で説明する。

本発明の鋳物の製造方法および鋳物製品によれば、砂型表面の少なくとも一部に複数の凸部又は凹部が付与された砂型を用いることで、差込み不良がほとんど無い又は低減された鋳物を得ることができる。特に本発明の方法によれば、従前の対策に比して、コスト増加や作業環境の悪化を伴わず、且つ、種々の製品形状にも対応可能で汎用性に優れるという利点がある。また、使用する砂型として、砂型表面に複数の凸部又は凹部が付与された砂型を用いる点を除いて、従来の鋳造工程を基本的に変更する必要が無いため、容易に実施できるという利点がある。

（Ａ）及び（Ｂ）は、砂型における凸部又は凹部の配列例を示す平面図。 砂型に凸部を付与した例における図１のＸ−Ｘ線断面の模式図。 砂型に凹部を付与した例における図１のＸ−Ｘ線断面の模式図。 実施例１の鋳物製品を示し、（Ａ）は製品の全体平面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は製品表面の一部の拡大図（平面図）。 比較例の鋳物製品を示し、（Ａ）は製品の全体平面図、（Ｂ）は製品表面の一部の拡大図（平面図）。 実施例１の鋳物製品におけるＳＥＭ写真（倍率５０倍）。 比較例の鋳物製品におけるＳＥＭ写真（倍率５０倍）。

本発明の好ましい実施態様、追加的構成要件などについて以下に説明する。

本発明は、砂型でできた製品キャビティ内に金属溶湯を注入して鋳物を製造する方法（砂型鋳造法）に関する。特に本発明は、製品キャビティの内壁面を提供（又は構築）する砂型表面の少なくとも一部に複数の凸部又は凹部が付与された砂型を用いることを特徴とするものである。

本発明を適用可能な砂型鋳造法は特に制限されるものではなく、適用対象は、生砂型鋳造法、乾燥型鋳造法、消失模型鋳造法など何でもよい。砂型の造型に用いる砂（鋳型砂）についても特に制限はなく、ケイ砂、オリビン砂、ジルコン砂などの鋳型砂のいずれでもよい。なお、使用する砂の大きさ（平均粒径）は０．２ｍｍ程度が好ましい。

製品キャビティの内壁面を提供する砂型表面において、複数の凸部又は凹部は、当該砂型表面に沿った縦方向、横方向及び／又は斜め方向に等間隔配置されることが好ましい。例えば、図１（Ａ）に示すように正方格子の格子点位置に凸部又は凹部１０を配置するような配列態様や、図１（Ｂ）に示すように千鳥掛けの交点位置に凸部又は凹部１０を配置するような配列態様を例示することができる。図１（Ａ）及び（Ｂ）の配列によれば、縦方向（図面の上下方向）、横方向（図面の左右方向）及び斜め方向（図面の４５度傾斜方向）に沿って複数の凸部又は凹部１０が等間隔配置されている。

複数の凸部又は凹部１０の各々は、砂型表面において半径ｒの円形状をなすと共に（図１参照）、その半径ｒは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあることが好ましく、より好ましくは半径ｒ＝１ｍｍ〜６ｍｍである。仮に半径ｒが０．５ｍｍを下回ると、砂粒の大きさとの関係で凸部又は凹部を形成することが難しくなる。他方、半径ｒが８ｍｍを超えると、凹凸の付与による差込み不良の低減効果が得られ難くなる。

砂型表面に形成されるものが凸部１１である場合、その凸部１１の高さｈ１は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあることが好ましい（図２参照）。また、砂型表面に形成されるものが凹部１２である場合、その凹部１２の深さｈ２は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあることが好ましい（図３参照）。凸部の高さｈ１又は凹部の深さｈ２が０．５ｍｍを下回ると、砂粒の大きさとの関係で凸部又は凹部を形成することが難しくなる。他方、凸部の高さｈ１又は凹部の深さｈ２が１．５ｍｍを超えると、砂粒による凸又は凹形状の形状保持が困難になり（つまり形崩れし易くなり）、砂型表面に複数の凸部又は凹部が付与された砂型を造型することが難しくなる。

図１（Ａ）の正方格子状配列の場合には、例えば横方向に延びるＸ−Ｘ線に沿った並びにおいて、又、図１（Ｂ）の千鳥掛け状配列の場合には、斜め方向に延びるＸ−Ｘ線に沿った並びにおいて、隣り合う二つの凸部又は凹部１０の外周縁間の距離が最短距離ｄとなる（図２及び図３参照）。そして本発明においては、隣り合う二つの凸部又は凹部１０の外周縁間の最短距離ｄが凸部又は凹部１０の半径ｒにほぼ等しくなるように、凸部又は凹部１０が等間隔配置されることが好ましい。ｄとｒのこのような寸法設定により、砂型表面に複数の凸部又は凹部１０を形成可能としつつ、凸部又は凹部１０の配列密度を最大化して差込み不良の低減効果を高めることが可能になる。即ち、最短距離ｄ＜半径ｒの場合には、隣り合う二つの凸部又は凹部１０が近すぎて形崩れのおそれがあり、凸形状又は凹形状の維持が困難になる。他方、最短距離ｄ＞半径ｒの場合には、凸部又は凹部１０の配列密度が低くなり、差込み不良の低減効果が減殺されるおそれがある。

上述したような砂型を用いて定法に則り砂型鋳造を行なうことで、差込み不良を効果的に抑制又は低減することができる。仮に注湯及び冷却直後の段階で鋳物の表面に差込み不良が生じていたとしても、砂粒を抱き込んだ差込み部分と製品部分との連結強度は本発明を適用しない場合に比べて非常に弱くなる（図６，７のＳＥＭ写真参照）。このため、型割り後の一般的な砂落とし処理（例えばショットブラスト）で当該差込み部分を容易に除去することができる。

なお、本発明の方法によれば、使用する砂型の形状を反映して、次のイ）からホ）のような構造的特徴を持つ鋳物製品が得られる。
イ）当該鋳物製品の表面の少なくとも一部には、その表面に沿った縦方向、横方向及び／又は斜め方向に等間隔配置された複数の凹部又は凸部が形成されている。
ロ）前記複数の凹部又は凸部の各々は、前記表面において半径ｒの円形状をなす。
ハ）前記半径ｒは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にある。
ニ）前記凹部の深さ又は凸部の高さは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある。
ホ）隣り合う二つの凸部又は凹部の外周縁間の最短距離ｄが前記半径ｒにほぼ等しい。

［本発明の作用に関する考察］
砂型鋳造の際に砂型表面に凹凸形状（シボ形状）を付与することによる差込み不良低減のメカニズムについては、学術的に解明されているわけではないが、以下に述べるようなメカニズムにより差込み不良が抑制されるものと推定される。
例えば、鋳鉄での差込み不良は、鋳型に用いる鋳型砂の耐火度が十分に高い場合においては、溶湯が鋳型砂粒の間隙へ物理的に侵入することで発生する。特に片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）においては、凝固時の黒鉛晶出に伴う膨張による溶湯圧力増加が大きく、鋳型の砂詰まりが良好でない部分、また健全に充填されている部分においても溶湯が砂粒間へ侵入することが避けられない。かかる事情を念頭に置きつつ実施例の実験結果（後述）を勘案すると、凹凸形状（シボ形状）の付与により、以下に列挙する（１）〜（３）の要因が複雑にからみあって、差込み不良が抑制又は低減されたと推定できる。

（１）表面冷却状態の変化
製品表面に凹凸形状を付与したことで、製品の表面積が拡大し、溶湯と鋳型の接触面積が増加し、溶湯の熱を鋳型が奪いやすくなった。その結果、製品表面の凝固を促し、溶湯が砂粒間へ侵入する前に表面凝固が完了するようになった。
（２）凝固膨張時の圧力増加緩和
製品表面に凹凸形状を付与したことで、製品の表面積が拡大し、共晶凝固時の膨張による圧力増加を緩和することができた（表面積拡大による面圧低下）。
（３）砂落とし処理での除去効率向上
仮に注湯及び冷却直後の段階で鋳物の表面に差込み不良が生じていたとしても、上記（１），（２）の事情により、砂粒を抱き込んだ差込み部分と製品部分との連結強度が、本発明を適用しない場合に比べて非常に弱くなっている（図６，７のＳＥＭ写真参照）。このため、型割り後の一般的な砂落とし処理（例えばショットブラスト）で当該差込み部分を容易に除去可能になった。

なお、前述のように片状黒鉛鋳鉄は共晶凝固時の膨張圧力がたいへん大きく、その程度は（同じ鋳鉄でも）球状黒鉛鋳鉄よりも大きい。それ故、鋳鉄、中でも片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）を鋳造材料として用いる場合の砂型鋳造に本発明を適用するとき、本発明の利点（差込み不良の抑制又は低減効果）が最大限に発揮されることになる。

以下、本発明の実施例１及び２、並びに比較例について説明する。
最初に各例に共通の条件を説明する。砂型鋳造に使用する溶湯としては、添加成分の実測値（単位：質量％）が、Ｃ：３．６３％、Ｓｉ：２．２４％、Ｍｎ：０．５６％、Ｐ：０．０３％、Ｓ：０．０８％であるＦＣ１５０相当の片状黒鉛鋳鉄を用いた。原材料の溶解には１００ｋｇ高周波誘導炉を使用し、ねずみ鋳鉄の戻り材、鋼屑、加炭材、Ｆｅ−Ｓｉ合金等で所定の成分へと調整した後、出湯時に接種剤（Ｆｅ−75Ｓｉ合金）を添加した。鋳型として、生砂で造型された主型とシェル砂で成形された中子を準備すると共に、主型及び中子で形成された製品キャビティ内に上記溶湯を注湯して、オイルポンプボディの供試材（試作製品）を鋳造した。なお、オイルポンプボディの最終形態は図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示すとおりであるが、その直径は約１８０ｍｍ、その厚みは薄い箇所で約４ｍｍ、厚い箇所で約２０ｍｍである。

（実施例１）
実施例１は、図２に示すような砂型表面に多数の凸部１１を付与した砂型を主型として採用した事例である。各凸部１１は平面視円形状をなし、その半径ｒ＝３ｍｍ、高さｈ１＝１．５ｍｍである。隣り合う凸部１１間の最短距離ｄ＝３ｍｍである。
図４（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は、実施例１の鋳物製品の外観写真（ショットブラスト処理後）を示す。図２からわかるように、製品表面の一部には、砂型（主型）の凸部１１に対応する凹部が多数形成されている。ショットブラスト処理後の外観において差込み不良箇所はほとんど見当たらない。なお、図６にショットブラスト前における実施例１の鋳物製品の一部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（５０倍）を掲載する。

（実施例２）
実施例２は、図３に示すような砂型表面に多数の凹部１２を付与した砂型（主型）を採用した事例である。各凹部１２は平面視円形状をなし、その半径ｒ＝３ｍｍ、深さｈ２＝１．５ｍｍである。隣り合う凹部１２間の最短距離ｄ＝３ｍｍである。
実施例２の外観写真は掲載していないが、製品表面の一部には、砂型（主型）の凹部１２に対応する凸部が多数形成されている。ショットブラスト処理後の外観において差込み不良箇所はほとんど見当たらなかった。

（比較例）
比較例は、従前の砂型（つまり砂型表面に多数の凹凸を持たない砂型）を採用した事例である。
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、比較例の鋳物製品の外観写真（ショットブラスト処理後）を示す。比較例の鋳物製品では、ショットブラスト処理後においてもその外観に差込み不良箇所が、特に厚肉部や肉厚変化部において散見された。なお、図７にショットブラスト前における比較例の鋳物製品の一部のＳＥＭ写真（５０倍）を掲載する。

［実施例及び比較例についての考察］
図６及び図７はそれぞれ、ショットブラスト前の実施例１製品および比較例製品における同一部位（Ｒ形状部位）での残砂状態のＳＥＭ画像を示す。比較例製品においては、Ｒ形状部位の全体にわたり、砂粒と鋳鉄とが複雑に入り組んで両者が強固に一体化した差込み部分が観察される。また、当該差込み部分での残砂量も多めである。これに対し、実施例１製品においては、Ｒ形状部位の一部においてのみ差込み部分が観察されたが、その差込み部分での砂粒と鋳鉄とのからみ合いは単純で相互に複雑に入り組んではおらず、全体的に残砂量も少なくなっている。つまり、比較例では差込み不良の程度が過大であるのに対し、実施例１では差込み不良の程度が過小となっている。かかる両者の違いが、ショットブラスト処理後の外観（鋳肌の滑らかさ）の違いに結びついたものと考えられる。

１０…砂型表面の凸部又は凹部、１１…砂型表面の凸部、１２…砂型表面の凹部、
ｄ…最短距離、ｒ…半径、ｈ１…凸部の高さ、ｈ２…凹部の深さ。

Claims (6)

1. 砂型でできた製品キャビティ内に金属溶湯を注入して鋳物を製造する方法において、
   前記製品キャビティの内壁面を提供する砂型表面の少なくとも一部に複数の凸部又は凹部が付与された砂型を用いることを特徴とする鋳物の製造方法。
2. 前記複数の凸部又は凹部は、前記砂型表面に沿った縦方向、横方向及び／又は斜め方向に等間隔配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳物の製造方法。
3. 前記複数の凸部又は凹部の各々は、前記砂型表面において半径ｒの円形状をなしており、前記半径ｒは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあり、前記凸部の高さ又は凹部の深さは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある、ことを特徴とする請求項２に記載の鋳物の製造方法。
4. 隣り合う二つの凸部又は凹部の外周縁間の最短距離ｄが前記半径ｒにほぼ等しい、ことを特徴とする請求項３に記載の鋳物の製造方法。
5. 前記金属溶湯は片状黒鉛鋳鉄である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋳物の製造方法。
6. 砂型鋳造法によって鋳造される鋳鉄製の鋳物製品であって、
   当該鋳物製品の表面の少なくとも一部には、その表面に沿った縦方向、横方向及び／又は斜め方向に等間隔配置された複数の凹部又は凸部が形成されており、
   前記複数の凹部又は凸部の各々は、前記表面において半径ｒの円形状をなしており、
   前記半径ｒは０．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲にあり、
   前記凹部の深さ又は凸部の高さは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にある、
   ことを特徴とする鋳物製品。